Các nhà thiên văn học đã phát hiện một ngôi sao vô cùng khác thường, đó có thể là hóa thạch hay tàn tích của một thế hệ sao hình thành trong buổi bình minh của vũ trụ.
Ngôi sao khác thường này được đặt tên là AS0039, nằm trong thiên hà lùn Sculptor cách hệ mặt trời khoảng 290.000 năm ánh sáng. Tàn tích của ngôi sao này có nồng độ kim loại, đặc biệt là sắt, thấp nhất so với bất kỳ ngôi sao nào được đo bên ngoài Dải Ngân hà. Các nhà nghiên cứu cho rằng phát hiện này là bằng chứng cho thấy đây là tàn tích trực tiếp của một trong những ngôi sao sớm nhất trong vũ trụ, vốn chứa rất ít kim loại.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ngôi sao mẹ ban đầu của AS0039 có khối lượng lớn gấp khoảng 20 lần khối lượng Mặt trời, ngôi sao lớn đặc biệt này có khả năng đã tự nổ vào cuối tuổi thọ của nó, vụ nổ đánh dấu sự hủy diệt của ngôi sao này mạnh gấp 10 đến 100 lần so với một siêu tân tinh thông thường.
Phát hiện này vén mở cho những nghiên cứu tiếp theo về thế hệ sao đầu tiên trong vũ trụ, những ngôi sao chưa từng được quan sát trực tiếp hoặc gián tiếp cho đến nay. Mike Irwin, đồng tác giả nghiên cứu và là nhà thiên văn học của Đại học Cambridge ở Anh, cho biết: “AS0039 có thành phần hóa học bất thường đến mức tạo điều kiện cho chúng tôi nghiên cứu thành phần bản nguyên của những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ, đặc biệt là khối lượng của chúng”.
Những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ
Những ngôi sao đầu tiên giống như những quả cầu khí nóng plasma, được hợp thành bởi sự hợp nhất của các nguyên tố trong lõi vô cùng đa dạng về kích thước và màu sắc, được phân loại thành ba nhóm: Quần thể I, Quần thể II và Quần thể III, sự phân loại dựa trên thành phần hóa học và đặc tính kim loại của chúng theo Live Science.
Các ngôi sao thuộc quần thể I, tương tự như mặt trời cũng như hầu hết các ngôi sao khác trong vũ trụ quan sát được, có hàm lượng kim loại cao, đặc biệt là sắt, giàu các nguyên tố tương đối nặng, như canxi và magiê. Những ngôi sao thuộc quần thể II, chẳng hạn như AS0039, có ít kim loại hơn nhiều, chỉ chứa một lượng rất nhỏ các nguyên tố nặng. Các ngôi sao thuộc Quần thể III, chưa từng quan sát thấy, hầu như hoàn toàn không chứa kim loại và không có nguyên tố nặng.
Trong quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân, các nguyên tử hydro được hợp nhất với nhau thành heli, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Hầu hết các ngôi sao có khối lượng khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt trời, qua thời gian chúng tiêu thụ dần dần hết nhiên liệu hydro cho đến khi cạn kiệt, sau đó chúng phình lên thành những ngôi sao đỏ khổng lồ và cuối cùng sụp đổ thành sao lùn trắng.
Các ngôi sao lớn hơn sau khi nhanh chóng tiêu thụ hết hydro và bắt đầu nung chảy heli thành cacbon và sau cùng chuyển hóa cacbon thành sắt - nguyên tố nặng nhất mà ngôi sao này có thể tạo ra. Những ngôi sao lớn này có mật độ quá dày đặc khiến nó tự sụp đổ và nổ tung. Vụ nổ không chỉ phân tán các nguyên tố vào không gian xung quanh mà còn giải phóng đủ năng lượng để tạo ra các nguyên tố nặng hơn sắt.
Các ngôi sao mới thường được sinh ra trong các đám mây khí còn sót lại từ vụ nổ của các sao thế hệ trước. Trong quá trình hình thành, chúng hấp thụ một số nguyên tố kim loại nặng từ các ngôi sao đã phát nổ trước chúng. Do vậy, tất cả các ngôi sao quan sát được ngày nay đều là sao thuộc Quần thể I hoặc Quần thể II, bởi vì chúng hình thành từ phần tàn tích của thế hệ sao trước đó.
Tuy nhiên, thế hệ sao đầu tiên trong vũ trụ Quần thể III được hình thành từ hydro nguyên chất, là nguyên tố đầu tiên được tạo ra sau vụ nổ Big Bang. Irwin cho biết: "Các ngôi sao thuộc Quần thể III được xác định là thế hệ sao đầu tiên hình thành trong vũ trụ và không chứa kim loại". Thế hệ sao đầu tiên này cũng không chứa các nguyên tố nặng vì không có siêu tân tinh nào tồn tại trước chúng.
Thế hệ tiếp sau của siêu tân tinh
Khi các nhà nghiên cứu tìm thấy AS0039, họ rất ngạc nhiên khi phát hiện rằng chúng chứa rất ít kim loại, ngay cả khi so sánh với các ngôi sao thuộc Quần thể II khác.
AS0039 có nồng độ kim loại thấp nhất so với bất kỳ ngôi sao nào được nghiên cứu bên ngoài thiên hà của chúng ta, nồng độ carbon cũng thấp nhất so với bất kỳ ngôi sao nào từng được nghiên cứu trong vũ trụ. Các nguyên tố nặng trong nó có tỷ lệ bất thường, đặc biệt là magie và canxi với số lượng rất thấp. Phát hiện này cho thấy AS0039 có thể là một ngôi sao thế hệ thứ hai được hình thành từ phần còn lại của ngôi sao thuộc Quần thể III.
Mô phỏng trên máy tính cho thấy AS0039 là thế hệ kế tiếp của ngôi sao thuộc Quần thể III và có khả năng đã chết trong một vụ nổ siêu tân tinh cực mạnh. Irwin cho biết thêm: “Chúng tôi tin rằng các ngôi sao thuộc Quần thể III có khối lượng lớn hơn các sao mà chúng ta thấy ngày nay, và khi nó sụp đổ vào cuối tuổi thọ của mình, nó sẽ phát ra vụ nổ cực siêu tân tinh (bằng năng lượng của hơn 100 siêu tân tinh)”.
Các nhà nghiên cứu hy vọng việc phát hiện ra AS0039 sẽ giúp các nhà thiên văn định vị được nhiều ngôi sao ít kim loại thế hệ thứ hai thuộc Quần thể II, từ đó làm sáng tỏ khối lượng và sự phân bố các sao thuộc Quần thể III cũng như vai trò của chúng trong việc biến vũ trụ ban đầu chứa đầy hydro thành vũ trụ của chúng ta như ngày nay.
